Механічні і пластичні властивості матеріалів

Основним досвідом для визначення механічних характеристик конструкційних матеріалів є досвід на розтягнення призматичного зразка центрально прикладеною силою, спрямованої по поздовжній осі; при цьому в середній частині зразка реалізується однорідне напружений стан.

Форма, розміри зразка і методика проведення випробувань визначаються відповідними стандартами, наприклад, ГОСТ 34643-81, ГОСТ 1497-73. За результатами випробувань будується залежність σ = f (ε) між напруженнями σ = F / A і деформаціями ε = Δ l / l, яка називається діаграмою деформування.

Досліди на розтягнення зразків виявляють деякі загальні властивості конструкційних матеріалів-властивості пружності і пластичності. Розглянемо типові криві деформування при розтягуванні зразків з матеріалу сталь 30 і сталь 40Х.

Характерні діаграми розтягування

Якщо напруги не перевищують межі пропорційності (перша точка на діаграмі), і залежність між напруженнями і деформаціями лінійна, то вона описується законом Гука σ = ε Е, де Е - модуль поздовжньої пружності матеріалу. Розмірність модуля пружності - Н / м2 (Паскаль). Значення модуля пружності Е на кривій деформування чисельно дорівнює тангенсу кута нахилу лінійної ділянки: Е = tgβ. Таким чином, величину Е можна розглядати як характеристику пружного опору або як характеристику інтенсивності - наростання напруги зі збільшенням деформації.

Фізичний сенс коефіцієнта Е визначається як напруга, необхідне для збільшення довжини зразка в два рази. Таке тлумачення досить штучно, оскільки величина пружного подовження у більшості твердих тіл рідко досягає навіть 1%.

Напруги, що є верхньою межею прояви чисто пружних деформацій, відповідають точці 2 діаграми та називаються межею пружності σупр.

Точка 3 діаграми характерна тим, що при досягненні напругою величини σ = σт (σт - межа плинності), подальше подовження зразка (для маловуглецевих сталей) відбувається практично без збільшення навантаження. Це явище носить назву плинності, а ділянку діаграми, розташований безпосередньо правіше точки 3, називається майданчиком плинності. При цьому полірована поверхня зразка мутніє, докривается ортогональної сіткою ліній (лінії Чернова-Людерса), розташованих під кутом 45o до поздовжньої осі зразка-у напрямку площин дії максимальних дотичних напружень.

У багатьох конструкційних матеріалів майданчик плинності не виражена настільки явно, як у маловуглецевих сталей. Для таких матеріалів вводиться поняття умовної межі текучості σs; це напруга, якому відповідав би залишкова (пластична) деформація, рівна s%. Зазвичай приймається s = 0,2%. Тому умовний межа плинності часто позначається як σ0,2.

Після майданчики плинності для подальшого збільшення деформації необхідне збільшення сили, що розтягує. Матеріал знову проявляє здатність чинити опір деформації; ділянку за майданчиком плинності (до точки 4) називається ділянкою зміцнення. Точка 4 відповідає максимальному навантаженні, яке витримується зразком. Відповідне напруга називається тимчасовим опором σв (або межею міцності σпч).

Подальша деформація зразка відбувається без збільшення або навіть зі зменшенням навантаження аж до руйнування (точка 5). Точці 4 на діаграмі відповідає початок локального зменшення розмірів поперечного перерізу зразка, де, в основному, зосереджується вся подальша пластична деформація.

Діаграма, наведена на малюнку вище, є діаграмою умовних напружень, умовність полягає в тому, що всі сили ставилися до первісної площі поперечного перерізу зразка; в дійсності ж при розтягуванні площа поперечного перерізу зразка зменшується. Якщо враховувати поточне значення площі поперечного перерізу при визначенні напружень, то отримаємо діаграму справжніх напруг.

Діаграма справжніх напруг

Якщо в деякий момент навантаження (точка А на малюнку «Характерні діаграми розтягування») припинити навантаження і зняти навантаження, то розвантаження зразка піде по лінії АВ, паралельної лінійному ділянці діаграми 0-1. При цьому повна деформація в точці А дорівнює:

ε = ε (е) + ε (р)

де ε (е) = σ / Е - пружна деформація, ε (р) - пластична (залишкова деформація). Рівняння це справедливо для будь-якої точки діаграми.

Ефект Баушінгера. Після того як матеріал зазнав вплив осьового зусилля одного знака (наприклад, розтягнення) в області пластичних деформацій (σ> σт), опірність цього матеріалу пластичної деформації при дії сил іншого знака (стиснення) знижується. Це явище носить назву ефекту Баушінгера.

При розтягуванні зразка відбувається не тільки збільшення його довжини, а й зменшення розмірів поперечного перерізу, т. Е. В пружною області деформація в поперечному напрямку ε '= -με, де ε - деформація в поздовжньому напрямку, μ - коефіцієнт Пуассона . Для ізотропних матеріалів значення коефіцієнта Пуассона знаходяться в межах від 0 до 0,5.

Характеристиками пластичності матеріалу є відносне подовження δ і відносне звуження ψ при розриві:

, де l0, А0 - довжина робочої частини зразка і площа поперечного перерізу до деформації; lк - довжина робочої частини зразка після розриву; АК - кінцева площа поперечного перерізу в шийці зразка після розриву.

За величиною відносного подовження δ при розриві проводиться поділ стану матеріалів на пластичне і крихке. Матеріали, що мають до моменту руйнування досить великі значення δ> 10%, відносять до пластичних матеріалів; до крихким відносять матеріали з відносним подовженням δ <3%.

Оцінка пластичних властивостей матеріалу може бути проведена по такій характеристиці, як ударна в'язкість, що дорівнює відношенню роботи, що витрачається на ударне руйнування зразка [Дж або H · м] до площі поперечного перерізу зразка в місці концентратора, [м2 або см2].

Робота деформації W при руйнуванні зразка може бути визначена по діаграмі розтягування σ = f (ε). Так, якщо первісна довжина зразка l0, то робота деформації, що здійснюються силою F на переміщенні і:

де Uк - переміщення в момент, що передує руйнуванню. Тоді по залежності σ = F / A0 = f (ε) і ε = u / l0, знаходимо

де W 1 - площа діаграми деформування (робота деформації на одиницю об'єму матеріалу).

Для сталей ударна в'язкість 50-100 Н · м / см2. Матеріали з ударною в'язкістю менше 30 Н · м / см2 відносять до числа тендітних.

Деякі пластичні матеріали в районі майданчика плинності виявляють особливість (наприклад, титан), звану «зубом плинності»; для таких матеріалів вводиться поняття верхньої і нижньої межі плинності.

Експериментальне вивчення властивостей матеріалів при стисненні проводиться на коротких зразках з тим, щоб виключити можливість викривлення зразка. Для пластичних матеріалів характер діаграми σ = f (ε при стисненні приблизно до виникнення плинності такий же, як і при розтягуванні. В процесі деформації стиснення зразок коротшає; при цьому розміри поперечного перерізу збільшуються. Через тертя між опорними плитами навантажувального пристрою і торцевими поверхнями зразка він приймає бочкообразную форму. Для ряду пластичних матеріалів виявити напругу, аналогічне тимчасового опору при розтягуванні, не вдається, тому що зразок сплющується.

Тендітні матеріали проявляють значно кращу здатність чинити опір деформацій стиснення, ніж деформацій розтягування; для них руйнівне напруження при стисканні перевищує межу міцності при розтягуванні в кілька разів. Руйнування тендітних матеріалів при стисненні відбувається за рахунок утворення тріщин.